一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构

1.本发明涉及一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构，是一种对地震表面波有良好控制和衰减作用的新结构。


背景技术：

2.全世界每年都有数百万次地震，绝大多数地震的震级都在3.9级以下，但震级5.0级以上的地震次数就超过1000次。即使是轻微地震引起的地面振动也会对建筑物的结构完整性产生影响。此外，对于核电站和炼油厂等建筑来说，即使是很小程度的破坏也可能造成灾难性的后果。地震波主要包括面波和体波，其中地震表面波造成的损害最大，传播距离最远。因此，设计一种防御结构以防止地震表面波危害建筑物是非常有意义的，特别是对于频率在0.1
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20赫兹范围内的长波，因为这包含了许多建筑和结构的共振基频。目前，对这类波长较长，低频率的地震表面波制定相应保护措施依然十分困难。同时，开发相应保护装置仍然是一个悬而未决的问题。
3.在被动控制的措施中，调频质量阻尼器(tmd)是一种有效的结构振动控制装置。调谐质量阻尼器是通过调节tmd系统的频率比与阻尼比使得tmd系统与结构发生共振，根据能量守恒，tmd系统的震动会耗散一部分能量，使得主结构的反应减小。但tmd只能控制某一模态下的振动，具有窄带特性，对结构自振频率的波动很敏感。所以，发明一种结构简单，适应性强，可以有效控制和衰减低频地震表面波的减震结构或装置，对于保护城市建筑和其他对振动敏感结构，如精密实验室、核电站、古建筑等将具有十分重要的意义！最近，出现的地震超颖结构为抗震保护提供了一种新思路。地震超颖结构是一种基于声子晶体理论所研究的周期性结构，具有带隙特性。在带隙频率范围内，地震波无法穿过地震超颖结构。本发明借鉴声子晶体控制机械波原理，采用混凝土、钢管和橡胶组成减震结构，实现对地震波的控制和衰减，本发明引述的技术结构定义为“地震超颖结构”。


技术实现要素：

4.本发明所设计的具有十字形空腔的方形地震超颖结构涉及一种用于衰减地震表面波的地震超颖结构。其目的是为了提供一种全方位、多角度衰减地震表面波、保护建筑、取材简单、有效减少地震灾害、减小建筑灾后修复和维护成本的具有十字形空腔的方形地震超颖结构。
5.本发明涉及的一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构，该地震超颖结构由地震超颖结构单胞在水平面内沿两个相互垂直的方向延拓组成，并设计在建筑物基础周边；地震超颖结构单胞包括具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)、钢管层(3)和土壤层(4)。混凝土桩(1)截面为圆形，在截面中间有一个通长十字形空腔。橡胶层(2)、钢管层(3)截面均为圆形，土壤(4)截面为方形，在其中部有一个圆形通孔。
6.具有十字形空腔的混凝土桩(1)圆形截面半径0.68m，高18m。中间具有由两个长方体通孔所组成的十字形空腔，各长方体通孔长1.2m，宽0.2m，高18m，选用c20
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c30素混凝土。
橡胶层(2)外径0.7m，内径0.68m，高度18m，选用工业橡胶。钢管层(3)外边长半径0.8m，内边长0.7m，高度18m，选用热轧无缝钢管。土壤层(4)方形截面边长2m，内部圆形通孔半径边长0.8m，高度18m，材质为普通砂土。
7.本发明结构布置在建筑基础周边的地表在下方，结构顶面与地表平齐，沿建筑物环向布置，距离建筑物水平距离6m。本发明的单胞结构延拓后所组成的周期性结构外围尺寸不小于建筑物基础尺寸。
8.本发明的技术方案是：
9.一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构，由所设计的地震超颖结构单胞沿水平面内两个相互垂直的方向不断延拓构成。布置于建筑基础周边的地表下方。同时，结构顶面与地表平齐。在一定范围内沿建筑环向分段布置，利用周期性结构的带隙特性，衰减6
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17hz范围内的地震表面波，保护建筑免受地震表面波和其他原因引起的地表振动的危害。
10.当地震波来袭时，地震超颖结构单胞中的具有十字形空腔混凝土、橡胶和钢管之间；单胞和单胞间都将发生振动，组合后的地震超颖结构会产生的带隙，从而有效控制和衰减地震表面波，保护建筑。
11.本发明所设计的具有十字形空腔的地震超颖结构单胞由具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)、钢管层(3)和土壤层(4)组成。在混凝土桩(1)的外部，首先包覆橡胶层(2)。然后在橡胶层(2)外部包覆钢管(3)，最后在钢管(3)的外部，装填土壤层(4)。
12.具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)和钢管层(3)截面均为圆形，土壤层(4)横截面为方形。
13.具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)和钢管层(3)，三部分轴心相互重合。
14.具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)和钢管层(3)，三部分高度相同，上下表面在同一水平面上。
15.本发明所设计的具有十字形空腔的方形地震超颖结构采用不同材料制备。
16.本发明所设计的具有十字形空腔的方形地震超颖结构的材质包括混凝土、橡胶、钢和土壤。请参阅图2和图3，其中，混凝土桩的密度ρ1＝2500kg/m3；杨氏模量e1＝4
×
10
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pa；泊松比γ1＝0.2；橡胶层的密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量e2＝1.02
×
105pa；泊松比γ2＝0.47；钢管层的密度ρ3＝7850kg/m3；杨氏模量e3＝2.1
×
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pa；泊松比γ3＝0.3；土壤层的密度ρ4＝1800kg/m3；杨氏模量e4＝2
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107pa；泊松比γ4＝0.3。四种材料制成。
17.与tmd被动结构减振控制方法相比，本发明具有以下优点：
18.1)有效控制较宽频段范围内的地震表面波。本发明所设计的一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构可以有效控制和衰减6
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17hz范围内的地震表面波，可以有效保护共振基频在此范围内的各种建筑。
19.2)远程控制和衰减地震表面波。本发明所设计的地震超颖结构，是一种周期性排列结构，具有带隙特性。布置在建筑基础周边的地表下方，且不于建筑相连。因此可以在地震波尚未到达建筑之前，远程控制和衰减地震表面波。
20.3)可以控制不同原因诞生的表面波。本发明所设计的地震超颖结构，除了能够控制在全带隙范围内的地震表面波外。对所有出现在全带隙频率范围内的表面波的振动，如人致振动、打桩、地面交通和建筑工地的机械使用等所能诞生表面波的振动都具备有效衰减效果。
21.4)结构简单。本发明所设计的地震超颖结构主要通过具有十字形空腔的混凝土桩、橡胶层、钢管层和土壤层，四者组成单胞，而后将单胞在同一水平面内沿相互垂直的两个方向延拓所构成。结构构造简单。
22.5)可以应用于不同场地条件的不同建筑。通过考虑所在地区的场地条件和被保护建筑的高度等因素，通过调整和改变地震超颖结构各组成部分的几何参数和材料参数，从而应用于各种地质条件和不同建筑。
23.6)可以保护整个区域范围内的所有建筑结构。本发明所设及的地震超颖结构不仅可以保护单个建筑，还可以保护整个地区范围内的所有建筑和其他，如公园、广场等公共设施。
24.7)材料常见，本发明所设计的具有十字形空腔的方形地震超颖结构，所用材料为钢、橡胶、混凝土和土壤四种材料。这些材料在建筑施工过程中被普遍使用，容易获取。
25.8)全方位有效保护建筑。本发明所设计的地震超颖结构布置在建筑基础周边，沿建筑分段环向布置，这可以针对不同方位随机出现的地震表面波，从而全方位有效保护建筑。
附图说明
26.图1为本发明所提供的地震超颖结构布置示意图。
27.图2为本发明所提供的具有十字形空腔的方形地震超颖结构单胞示意图。
28.图3为本发明所提供的具有十字形空腔的方形地震超颖结构单胞俯视示意图。
29.图4为本发明所提供的具有十字形空腔的方形地震超颖结构能带结构图。
30.图5为本发明所提供的当沿γх方向激发瑞利波时，十排具有十字形空腔的地震超颖结构单胞所组成的地震超颖结构透射谱。
31.其中：1.具有十字形空腔的混凝土桩；2.橡胶层；3.钢管层；4.土壤层。
具体实施方式
32.下面结合附图给出本发明的详细实施方式。
33.在图1中，展示了本发明所设计的一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构布置情况。采用分段环向布置，具体布置情况如图1所示。
34.在图2和图3中，展示了具有十字形空腔的方形地震超颖结构单胞，其组成部分包括具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)、钢管层(3)和土壤层(4)。
35.具有十字形空腔的混凝土桩(1)截面为中心有十字形通孔的圆形。混凝土桩(1)外部包覆一定厚度的橡胶层(2)。在橡胶层(2)外部包覆钢管层(3)。
35.混凝土桩(1)、橡胶层(2)和空心钢管(3)，三部分轴心重合，上下表面相互平齐且高度相等。
36.橡胶层(2)和钢管层(3)的截面均为圆环。橡胶层(2)的内径和外径分别与混凝土桩(1)的外径和空心钢管(3)的内径相同。橡胶层(2)的内壁与为外壁分别与混凝土桩(1)外壁和空心钢管(3)的内壁紧密连接。具有十字形空腔的混凝土桩(1)、橡胶层(2)和钢管层(3)，三者组成具有十字形空腔的复合圆桩。
37.制成一个具有十字形空腔的复合圆桩之后，重复上述步骤，制作多个相同具有十
字形空腔的复合圆桩，数量要求至少可以绕建筑物周围按图1所示分段环向布置。
38.在建筑物周围按图1所示位置，将具有十字形空腔的复合圆桩分段环向布置在建筑基础周边的地表下方，复合圆桩中心间距均为2m。布置好复合圆桩后，在复合圆桩之间填充土壤。
39.本发明所设计的一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构，混凝土桩(1)的半径为0.68m，纵向高度为18m，其正中心具有一个十字形空腔，十字形空腔由两个相互垂直的长方体通孔组成，每个长方体尺寸均为长1.2m，宽0.2m，高18m，选用c20
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c30素混凝土。橡胶层(2)的外径为0.8m，内径为0.68m，纵向高度为18m，选用工业橡胶。钢管层(3)的外径为0.8m，内径为0.7m，纵向高度为18m，选用热轧无缝钢管。土壤层(4)，壤层(4)方形截面边长2m，内部圆柱形通孔半径边长0.8m，高度18m，材质为普通砂土。上述混凝土桩(1)、橡胶层(2)和钢管层(3)，三者所形成的复合圆桩与外层土壤层(4)形成一个尺寸为长2m，宽2m，高18m的具有十字形空腔的方形地震超颖结构单胞。结构布置在建筑基础周边，结构顶面与地表平齐，在同一水平面内沿建筑物环向延拓布置，距离建筑物水平距离6m。
40.具体材料参数为：
41.混凝土：密度ρ1＝2500kg/m3；杨氏模量e1＝4
×
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pa；泊松比γ1＝0.2；
42.橡胶：密度ρ2＝1300kg/m3；杨氏模量e2＝1.02
×
105pa；泊松比γ2＝0.47；
43.空心钢管：密度ρ3＝7850kg/m3；杨氏模量e3＝2.1
×
10
11
pa；泊松比γ3＝0.3；
44.土壤：密度ρ4＝1800kg/m3；杨氏模量e4＝2
×
107pa；泊松比γ4＝0.3。
45.请参阅图4，其中，浅灰色区域为能带结构的全带隙范围。能带结构计算发现，结构在6
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17hz范围内存在全带隙。本发明所设计的地震超颖结构可调控的衰减地震表面波区域内，发现有两条全带隙，分别位于：第一条：6.82
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12.80hz；第二条：14.24hz
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16.48hz。
46.请参阅图5，其中，浅灰色区域为透射谱的衰减区。当沿γх方向激发瑞利波时，通过计算本发明所设计的十排具有十字形空腔的方形地震超颖结构单胞的透射谱发现，透射谱计算的衰减区与能带结构的全带隙基本重合。这表明，本发明所设计的地震超颖结构可以有效控制和衰减位于全带隙频率范围内的地震表面波。
47.综上所述，本发明所设计的一种具有十字形空腔的方形地震超颖结构具有低频带隙特性，从而可以有效控制和衰减全带隙频率范围内的地震表面波，具有良好的减震性能和保护建筑的作用。